用于飞行控制律设计调参的无人机对象模型建模方法技术

本发明专利技术提出一种用于飞行控制律设计调参的无人机对象模型建模方法，通过对无人机对象模型模块划分，六自由度飞机模型本体模块，含有计算机体坐标轴系各轴向线加速度和角加速度，产生飞机各种速度、位置、角速度、姿态信号的模型部件；气动系数模块含有根据飞机气动数据计算各种气动力和力矩的模型部件；发动机模块含有计算发动机推力和耗油率的模型部件；起落架力和力矩模块含有根据飞机位置信号、姿态信号、起落架相对位置关系，计算受前轮偏转角、刹车输入和机轮速度、支撑力和起落架机轮相对跑道位置关系的模型部件；飞行/滑跑控制系统模块含有导航计算、控制逻辑和控制选择的模型部件，上述模型部件按照逻辑关系，接受来自传感器模块的各种信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无人机飞行控制领域，具体的说，是ー种基于Matlab/Simulink环境下用于飞行控制律设计调參的无人机对象模型建模方法。
技术介绍
飞机的气动导数随马赫数、高度或动压的改变而发生显著的变化，因此，飞机的动力学模型也会随着飞行的状态的改变而产生大幅度的摄动。飞控系统设计的难点在于如何能找到能够适应其被控对象一飞机的动力学模型变化的控制律，以保证在整个飞行包线内，飞机的飞行性能均能满足飞行品质指标的要求。在控制对象的參数发生变化或存在未建模动态的前提下，获得尽可能好的系统性能是大多数控制设计问题所面临的挑战。对于这类控制问题，要以ー个固定參数的控制器来同时获得系统动态性能、稳定性和鲁棒性几乎是不可能的。系统性能的提高往往是以牺牲鲁棒性为代价的，反之，鲁棒性的提高也以牺牲系统性能为代价。这种现象在系统运行过程中，当对象參数变化剧烈时，表现尤为突出。由于飞机的小扰动线性化模型的许多參数取值决定于一系列事先未知的物理量，主要有马赫数、飞行高度等，致使飞机的动态性能在大包线范围内有很大变化，因而，飞行控制器不得不采用ー种在飞行过程中也会发生变化的控制器。设计变化控制器的ー个典型方案就是在整个工作区域根据不同平衡工作点分别设计控制器，并利用某种类型的插值或拟合来获取全局控制器。MATLAB是由美国MathWorks公司推出的ー款科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和強大的数据可视化功能集成在一起，提供了大量的内置函数，广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作中。本专利技术中所涉及的各种功能模块就是利用MATLAB软件提供的基础模块和函数结合自己用MATLAB编程语言写的程序代码搭建而成的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种无人机对象模型建模方法，用于无人机飞行控制律结构和控制參数调节及非实时数字仿真，改进后可用于实时半物理仿真。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到一种用于飞行控制律设计调參的无人机对象模型建模方法，其特征在于包括如下步骤构建ー个含有风干扰模型、大气环境模型、地球重力环境模型的环境变量模块、ー个含有计算发动机推力和耗油率模型部件的发动机模块、一个相连发动机模块并能根据耗油率和重心随质量变化数据计算飞机质量和重心位置的质量计算模块、ー个舵机模块包括副翼、升降舵、方向舵及减速板舵机模型的舵机模块、ー个含有根据飞机位置信号、姿态信号、起落架相对位置关系，计算前轮偏转角、刹车输入和机轮速度、支撑カ和起落架机轮相对跑道位置关系模型部件的起落架力和カ矩模块、ー个含有导航计算、控制逻辑、各种控制器和控制选择模型部件的飞行/滑跑控制系统模块、ー个含有根据飞机气动数据计算各种气动力和カ矩模型部件的气动系数模块、ー个相连上述气动系数模块，并含有计算机体坐标轴系，各轴向线加速度和角加速度，产生飞机各种速度、位置、角速度、姿态信号模型部件的六自由度飞机模型本体模块，一个通过上述飞行/滑跑控制系统模块在仿真过程中施加控制指令的控制台模块和向上述各模块传送各种信号、刹车指令、油门指令、计算各种操纵舵面输出指令的传感器模块；其中，控制台模块在可在仿真过程中对飞行/滑跑控制系统模块输入控制指令，气动系数模块从环境变量模块获取大气环境信息，把计算出的飞机カ和力矩传送至六自由度飞机模型本体模块，计算飞机当前加速度、速度、角速度、姿态、位置、状态变量，经传感器模块传递至飞行/滑跑控制系统模块进行控制指令计算，控制指令分别通过起落架力和力矩模块、舵机模块、发动机模块、质量计算模块计算出舵偏指令、发动机推力、飞机质量、机轮摩擦力和カ矩，送入气动系数模块进行下一拍飞机力和カ矩的计算，上述状态变量经环境变量模块计算飞机实时位置的大气环境信息，飞机的状态信息以及控制指令都通过示波器模块实时现实本专利技术的有益效果在干，在全包线控制律调參设计时，避免了对包线内各设计点逐一建立线性化模型的巨大工作量，尤其是对无人机爬升段、下降段采用完全一致的仿真模型，减少了建模的工作量，提高建模工作效率。在建模调參完成后，可以直接利用本工具箱进行非线性数字仿真验证控制參数。并且本专利技术在更换气动等飞机数据后可用于其他机型的控制律调參设计。控制律就是自动控制器的输出信号(副翼、升降舵、方向舵操纵面的偏角或油门杆位置等)与输入信号的动态关系，是飞行自动控制器静、动态特性的数学表达式。飞行包线反映的是飞机在各个高度下的速度上限和速度下限，结合飞机的升限，就形成了每种气动外形的飞机所特有的飞行包线范围。控制律调參是在包线范围内选取不同高度不同速度的工作点进行设计的。全包线控制律调參是指选取的工作点要涵盖飞行包线内的所有范围， 所设计的控制律要在尽可能多的工作点上满足系统的性能品质指标。附图说明图1是本专利技术一种用于飞行控制律设计调參的无人机对象模型架构示意图。 具体实施例方式在图1描述的ー种用于飞行控制律设计调參的无人机对象模型中，主要包括控制台模块、飞行/滑跑控制系统模块、舵机模块、气动系数模块、起落架力和力矩模块、发动机模块、质量计算模块、发动机模块、环境变量模块、信号输入模块、六自由度飞机模型本体模块、信号输出模块、传感器模块、飞行參数计算模块、示波器模块，按照功能划分模块建模組成的无人机对象模型。控制台模块作为模型的输入设置仿真初始条件，并在仿真过程中施加控制指令。 飞行/滑跑控制系统模块含有导航计算、飞行控制器、控制逻辑和控制选择的功能部件，根据来自传感器模块的飞机在飞行中的运动、姿态、位置等信号，计算出飞机副翼、升降舵、方向舵各舵面操纵的输出指令以及油门指令和刹车指令。舵机模块含有副翼、升降舵、方向舵及减速板舵机功能部件，模拟实际舵机的时间延迟、输出限幅、死区等特性，根据来自飞行/滑跑控制系统模块的各舵面操纵指令计算输出各舵面的偏转角度。气动系数模块含有根据飞机气动数据计算各种气动力和力矩的功能部件，根据来自舵机模块的舵面偏转角度和来自六自由度飞机模型本体模块的飞行高度、攻角、马赫数等參数计算出飞机当前飞行高度、攻角、马赫数和舵偏角度下的气动カ和カ矩。起落架力和力矩模块含有计算起落架地面支撑力、摩擦力及相关的各类カ矩的功能部件，根据飞机位置信号、姿态信号、起落架相对位置关系计算起落架机轮相对跑道的位置关系以及起落架缓冲支柱和轮胎的压缩量，再根据地面结合系数、刹车压力、前轮偏转角等计算地面支撑力、纵向摩擦力和侧向摩擦力及相关的各种カ矩。发动机模块含有计算发动机推力和耗油率的功能部件，根据油门大小和飞行状态计算发动机推力和耗油率等。质量计算模块含有计算飞机质量和重心位置的功能部件，根据耗油率和重心随质量变化数据计算飞机质量和重心位置。环境变量模块含有风模型、大气环境、地球重力环境功能部件，根据飞行高度、速度计算出相应强度的风场、气压、空气密度、声速、重力加速度等环境数据。信号输入模块具有数据整合功能，将质量计算模块、起落架力和力矩模块、气动系数模块中计算所得的数据整合送入六自由度飞机模型本体模块。六自由度飞机模型本体模块含有计算机体坐标轴系或者地面固连坐标轴系各轴向线加速度和角加速度，产生飞机各种速度、位置、角速度、姿态信号的功能部件，根据飞机所受的各种カ和カ矩，包括空气动力、重力、发动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金波，张瞿辉，徐晓婷，黄佳，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：